DE1565159A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Laser-Schweissen - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zum Laser-Schweissen

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DE1565159A1
DE1565159A1 DE19651565159 DE1565159A DE1565159A1 DE 1565159 A1 DE1565159 A1 DE 1565159A1 DE 19651565159 DE19651565159 DE 19651565159 DE 1565159 A DE1565159 A DE 1565159A DE 1565159 A1 DE1565159 A1 DE 1565159A1
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laser
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metal
pulse generator
circuit arrangement
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Jackson John Eric
Anderson John Erling
Baird Robert Jackson
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Union Carbide Corp
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Union Carbide Corp
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
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Description

Patent iiwalt . Dipl.-lng; Qerhard Sdiwan r n
München 8, Qoerzer Str. 15 IDOOlO -: ! j ~" - ,
j Dr. Expi.J
UNION CARBIDE CORPORATION 270, Park Avenue, Neu* York, N.Y. 10017, U.S.A,
Verfahren und Schaltungsanordnung zum Laser-Schuieißsn
Dia Erfindung bafiflt siel·· mit dam Snhuiaißan mittala Laserstrahl und betrifft insbesondere ein Leser-Schmaißi/arfahren, bei dam dia arhaltena SchuiaiQung ein verhältnismäßig großes Verhältnis v/on Tiefe zu Breite hat, soiuie ains Schaltungsanordnung zur Durchführung eines darartigen Verfahrens.
Dar Laserstrahl stallt eine extrem energiaraicha lliärmequelle dar, die as ermöglicht, UJärmeübartragungeintensltäten odar Leistungsdichten zu erzielen, die mehrere Grö-Qanordnungen Ubar denjenigen des herkömmlichen elektrischen SchuiaiOlichtbogena liegen. Die Intensität des Laserstrahls muß in geeigneter Uiaiee gaatauart werden, da as leicht möglich ist, einem Uiarkstück mehr Energie zuzuführen, ala in das UJerketUck eingebracht »erden kenn* Diese übermäßige Intensität führt zu einem Kochen des Werkstoffs an dar Oberfläche, wodurch Löcher anstelle von SchujeiOungen erhalten werden. !Degen der Gefahr, Löcher statt Schiuai-Qungan herzustellen, wurde bisher die Intaneität oder Leistungsdichte des Laserstrahls so eingestellt, defl die U!ärmaeinbringung in das metall durch lüa'realaitung durch das Betall hindurch erfolgt. Es wurde jedoch gefunden, daß durch geeignete Voreinstellung der Intensität des Laserstrahls dessen Bestreben, Löcher auszubilden, «it Vorteil derart ausgenutzt werden kann, daß dl· aus de« Laserstrahl stammende Wärmeenergie dem Retall i« unteren Bereich und an den Seiten der Löcher unmittelbar zugeführt wird, worauf man "das Loch sich mit geschmolzenem Ma tall füllen läßt,
909886/0686
SAD ORIGINAL
bevor Übermäßige Verdampfung eintritt. Dieses Verfahren wird vorliegend als Bohr-FUll-Varfahren bezeichnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Schweißungen alt große« Verhältnis von Tiefe zu Breite mittels einer pulsierenden Laaer-Energiequelle zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung} mittels deren die Laser-Wär«aquslle in einer geuiünschten Zeitabfolge erregt werden kann.
Erfindungsgamäß ist ein Laser-SchweiBverfahren, bei de« mindestens ein Impuls ausgelöst wird, der die Entladung mindestens einer einer Laserqualla zugeordneten Strahlungsquelle bewirkt und bei dem die frei «erdende Laaerenergie zur Bildung eines Schmelzbade gebündelt auf ein Metallisches Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des Laserstrahls a« Brennfleck innerhalb des durch die Gleichung
C (K + 0,2) (Tb - To)
bestimmten Bereichs gehalten wird, vobei der untere Grenzwert bei C 3 3 und der obere Grenzwert bei C * 9 liegt und
I s Leistungsdichte des Laserstrahl· aai Brennfleck (tUatt/cm2) '
K a Wärmeleitfähigkeit das Metalls (cal/ca see °X) Tb» Siedepunkt das Metalls (0C) Ts Ausgangstaaperatur das Retails (°C~Zis»ertaaperatur)
E s Strahlungsabsorptionsvsrmögan des letalIe bei der Wellenlänge des Laserstrahls
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d- s MfärMediffueionevermögen des metalle (cm /sac) θ = Dauer des Lasorimpulses (see) d = Durchmesser des LassrbrennPlecks (cm)
Waltere ISerkmale, Vorteile und Anuiendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben eich aus der folgenden Beschreibung von Aueführungsbaispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Eo zeigt*
Figur 1 eine schßmatische Darstellung einer zur Durchführung des Verfahrene nach der Erfindung beispielsweise verwendbaren Vorrichtung,
Figur 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Figur 1,
figur 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Steuerung der Arbeitsweise dee Lasers nach Figur 1, und
Figur 4 eine achematische Darstellung der Intensität
oder Leistungsdichte, aufgetragen über dar ZaIt9 aue dar dar Bereich zu entnehmen ist, innerhalb dessen das Bohr-Füll-Verfehran nach dar Erfindung durchführbar ist.
Die Erfindung beruht auf dar Erkenntnis dar Bedeutung de· Siedens an der Werkstückoberfläche beim Laeer-SchveiQen» Bei praktisch eilen anderen Schwei8-IVHrnaquellen alt Auenahne dee Elektronenstrahls reichen die UfärmaUbertragungaintenaitäten nicht aus, um ein Sieden an praktiech allen Metalloberflächen herbeizuführen. Bei Vervendung eines Laeeratrahle let ein Sieden an der Werkstückoberfläche allgemein zu beobachten. Beispielsweise kann eine Lasar-Ausgangsenergie von 10 3oule bei einer Impulsdauer von
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.-.■■.'-,■-■ - - BAD ORIGINAL
C,001 Sekunden laicht erzielt werden. Diese Energie führt zu einem Obarflächeneiaden bei Eisen, Kupfer und Aluminium, uienn der Laserstrahl gut gebündelt ist. Das Austraten dieses Effekts begrenzt die Wärmemenge, dia in das metall eingebracht werden kann, eouiie die Tiefe dar Schmalzzona, die durch Wärmeleitung allein zu erreichen ist.Wärme kann in metall nicht schneller eingebracht werden als mit der Geschwindigkeit, die erreicht ujird» wenn die Metalloberfläche auf ihrem Siedepunkt gehalten wird. Ein Obarflächenaieden kann auch zu Bohreffekten im metall führen. Dies beruht auf dem RUckdruck des die Überfläche verlassenden verdampften Iflatalls.
Oei einer vorgegebenen Impulsdauer mächst die Tiefe der Schmelxzone mit steigender Laser-Energie bis zu einem Grenzwert an. liiird die Laser-Energie weiter gesteigert, beginnt sich der Druck auf der geschmolzenen Oberfläche aufzubauen, während metall v/erdampft. Wird die Laser-Energie hinreichend erhöht, übt der Druck eine Meißel- oder Bohrwirkung aus, bsi dar geschmolzenes Metall zur Saite gedrückt oder heftig herausgeschleudert uiird. Dabei sind zwei Verhaltensweisen möglich. Der Laser-Strahl kann ein Loch bohren, wobei wenig oder kein mieder erstarrtes Metall an dar Grundplatte haften bleibt, nachdem der Impuls beendet ist. Diese Erscheinung ist bekannt. Bai der vorliegend gefundenen Betriebsart uiird ein Loch gebohrt, das anschließend durch geschmolzenes metall gefüllt uiird. Die erhaltene Schweißraupe hat eine erheblich größere Tiefe ^e sie bisher erzielbar uiar. Das Bohr-FUll-Varfahren erfordert eine sorgfältige Steuerung der Ausgangsenergie das Lasers, um ein Herausschleudern das geschmolzenen Metalls zu vermeiden. Der Bereich, innerhalb dessen dar Bohr-Füll-Effskt eintritt, uiird durch die obige Gleichung definiert und stallt einen schmalen Bereich dar, der zwischen dem Bereich der üblicfien Wärmeleitung und dem Bereich liegt, innerhalb dessen Löcher erzeugt warden (Figur 4).
909886/0688 8AD origiNal
Bel dem Bohr-FUll-Verfahrsn müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt warden* Dia»θ Parameter ändern aich von metall zu metall. U/i β aus dar Gleichung hervorgeht, können daa Absorptionsvermögen der metalloberfläche und die Wärmeleitfähigkeit dea metalls den Prozeß beeinflussen.
Entsprechend den Figuren 1 und 2 ist ein typischer Laser zur Durchführung der Erfindung mit einen Körper 10, vorzugsweise aus Aluminium, versehen, dessen Innenfläche 16 hoch poliert ist. Der Körper 10 hat die Form von vier Teilellipsen 12, deren Brennpunkt in Kristall 18 liegt· Vier Energiequellen 14, beispielsweise Xanonlanpan» befinden sich in jeder Ellipse 12. Der Kristall besteht aus einem Werkstoff, bei dem ein Laser-Effekt auftreten kann. Er ist beispielsweise ein einziger Rubinkristall.
Der Kristall 18 ist in einen Dswar-Gefäß 20 aus Glas untergebracht. Kaltes Stickstoffgas wird über nicht veranschaulichte Einlasse und Auslässe in das Dewar-Gafäß eingalaitat und um den Kristall herungeführt. Eine Kondensation auf der Außenfläche des Detuar-Gefaßes und am Ende 22 das Laser-Kristalls wird verhindert, indem trockenes Stickstoffgas über nicht dargestellte Einlasse und Auslässe in den von den vier Teilellipsen 12 gebildeten Hohlraum und zu dem Ende 22 geleitet wird. Nach Anregung durch die Energiequellen 14 wird vom Ende 22 des Laear-Kristalla ein sshr intensiver Strahl aus kohärentem Licht emittiert. Dieser intensive Lichtstrahl wird dann durch eine Linse 26 hindurch gebündelt gegen das zu schweißende Werkstück 24 gerichtet.
Wie erwähnt, ist der auf das Werkstück übertragene Intensitätewert zur Erreichung des Bohr-Füll-Effakts kritisch. Infolgedessen ist dia Folge, in welcher der Laser-Kristall angeregt wird, von Bedeutung.
BAD ORIG'NAL 909886/0688
Bei Verwendung einer Vorrichtung der in dan Figuren 1 und 2 veranschaulichten Art können je nach der erforderlichen Leistung und Zeit sämtliche Lampen 14 gleichzeitig, paarmal β a oder einzeln gezündet werden. Nimmt man beispielsweise an, daß jede Lampe auf maximal 2000 3oule bemessen ist, würden alle vier Lampen gleichzeitig gezündet, mann Θ000 Joule erforderlich sind. Sind 3000 Joule erforderlich, könnte eine Lampe mit voller Leistung und gleichzeitig eine weitere Lampe mit halber Leistung betrieben «erden. Ist entsprechend einem weiteren Beispiel eine lange Zeitfolge erwünscht, kann das Zünden der Lampen so aufeinander abgestimmt werden, daß eine Leietung-Zeit-Kurv/e der arforderlichen Amplitude und Zeit erhalten utird.
Figur 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schal· tungsanordnung für ein Zünden der Lampen 14 in gewünschter Abfolge. Allgemein wird ein Zünden in zeitlicher Reihenfolge durch eine Reihe von bistabilen Sultivibratoran 30a, 30b, 30c und 3Od sowie von TaetuerstBrkern 32a, 32b, 32c und 32d erreicht. Eine Reihe von Impulsen nit vorbestiMmtem Verzugerungsabstand «Ird durch den Sperrschwinger 34 erzeugt, de* eine Vsrzägarungaelnstellung 36 zugeordnet ist. Die von den Sperrschwinger abgegebener! Impulse werden den Eingängen aller vier Tastverstärker zugeführt. Den Lanpen 14a, 14b, 14c und 14d wird jedoch noch kein Ausgangssignal zugeleitet, da die zugehörigen bistabilen Rlultivibratoran noch gesperrt sind. Un die Lampen zu zünden, wird sine ZUndtaste 40 gedrückt, die ein Quscksilberrelais im Triggergenerator 42 schließt, wodurch ein einziger Impuls erzeugt wird. Dieser Inpule wird den Multivibrator 30a zugeführt, der in den leitenden Zuatand unschaltet und eine Vorspannung an den Tastverstärker 32a anlegt, die bewirkt, daß der Tastverstärker 32a den nächsten vom Sperrschwinger kommenden Triggeriütpule durchläßt, um die zugeordnete Lampe zu zünden. Der von Sperrschwinger ausgehende Impuls tuird ferner zu dem Multivibrator 30a
BAD ORfGiNAL 909886/0688 NAL
■- 7 -
zurückgeführt, um diesen winder Ln den ursprünglichen Sperrzustand zu bringen. Ferner «ird der Iapuls weiter an den multivibrator 30b gegeben und nacht diesen leitend, so dafl der Tastverstärker 32b geöffnet wird, wenn der nächste Impuls vom Sperrschwinger erscheint. Diese Folge wird aufrechterhalten, bis alle vier Lampen gezündet und sämtliche fliultivibrataran zurückgestellt sind. Die Verstärker lassen keine weiteren Triggerimpulse durch, bis ein neuer .Startimpuls von dem Triggergeneratar 42 abgegeben wird, nachdem dia Zündtaste losgelassen und erneut gedrückt u/urds.
Andere Folgen auQer der oben beschriebenen können leicht dadurch erhalten werden, daß ein (nicht veranschaulichter) Folgsechalter vorgesehen wird, der den Leitungsanschluß 44 für den vom Triggergenerator kommenden Impuls lindert· Vier einstellbare Folgen sind beispielsweise!
1. 14a - Verzögerung - 14b - Verzögerung - 14c - Verzögerung - 14d. Dies entspricht des oben beschriebenen AnachluB.
2* 14a und 14b - Verzögerung - 14c - Verzögerung - 14d. Für diesen Zweck ist die Leitung 44 an die lultivibrätoren 30a und 30b anzuschließen und ist die Leitung 46 hinter den Bultivibrstor 30a zu unterbrechen.
3. 14a und 14b - Verzögerung - 14c und 14d. Für eine solche Folge let die Leitung 44 Mit den lultivibratoran 14a und 14b zu verbinden» Die Leitung 46 ist zu unterbrechen. Ferner let die Leitung 46 alt beiden lultivibratoren 14c und 14d zu verbinden und ist die Leitung SO zu unterbrechen.
4. 14a, 14b, 14c und 14d (alle gleichzeitig). FOr diesen
Zweck ist die Leitung 44 an alle vier Bultlvibratorsn anzuschließen. Die Leitungen 46, 4Θ und 50 sind zu unterbrechen.
80988670888 BADORlQiNAL
Es versteht eich, daß beliebige Kombinationen durch geeigneten Austausch'der Leitungen 44, 46, 48 und 50 hergestellt werden können* Auch brauchen nicht alle vier Lampen gazUndet zu werden. Jede Lampe kann einfach dadurch ausgelassen werden, daß der ihr zugeordnete Kondensator nicht aufgeladen wird.
Die folgenden Daten zeigen Beispiele der Anwendung des oben beschriebenen impulauisise arbeitenden Lasers zur Erzielung einer SchweiOung im Bohr-Füll-l/erfahren.
Rostsi-
cherer
Stahl		 K K k E 0,05 d
CR
Al 0,05 0,53 5100 0,40 Gemesse
ne Energ.
Joule		 0,051
Cu θ
(Rilliaek.		 0
fflillisek.		 ZUndg.
d.Lamp.		 Spanng.
ea.		 11 I
4 2 14b-14a
14a		 2000 C* 1,35x10b
I
K		 k E 0,91 d
CR
0,94 2330 0,20 Gemesse
ne Energ.
Joule		 0,051
0
fflillieek.
1		 Zündg.
d.Lamp;		 Spanng.
"*ea.		 6,5 I
2 14a-
14b		 2000 * 1,35x106
k E 0,91 d
CH
2Θ70 0,15 GSRSSSS-
ns Energ.
Joule		 0,051
ZUndg.
d.Lamp.		 Upanng.
es.		 10,5 i
14b-
14b		 2000 2,58x106
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ORIGINAL

Claims (7)

  1. Patentansprüche
    1« Laser-Schiveißuerfahrsn, bai dsm mindestens ein Impuls ausgelöst ui.ird, der die Entladung mindestens einer einer Laserquelle zugeordneten Strahlungsquelle bowirkt, und bai dem dio frei wardande Laser-Energie zur Bildung, eines Schmelzbads gebündelt auf ein me~ taJ.li3ch.es Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des Lauerstrahls am Brerinfleuk innerhalb des durch die Gleichung
    I a
    =Λ
    ε fdTÖ [\ - β 2^
    bestimmten Bereichs gehalten uiird, wobei der untere Grenxuiart bei C = 3 und der obere Granzuisrt bei C β 9 liegt und
    I 3 Leistungsdichte dee Laserstrahls am Brannfleck (UJa t t/cm2)
    K = Wärmeleitfähigkeit das Metalls (cal/cm sec 0K) Tb = Siedepunkt des metalls (0C)
    T * Ausgangstemperatur das Ifletalls (^-Zimmertemperatur)
    E a Strahlungsabsorptionsvermögsn des metalls bei dar Wellenlänge des Laserstrahls
    CL s UJärmediffusionsv/ermögan des Metalls (cm /see) θ a Dauer des Laserimpulses (see) d a Durchmesser des Laserbrennflecke (cm)
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlungsquelle in einer Zeitfolge gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung in uorbBstimmter steuerbarer Folge vorgenommen tsiird.
    909886/0688 8AD QR!GlNAL
    AO
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlungsquelle mittels eines Startirapulses gezündet wird, der vor Zilndan der Strahlungequalle für eine vorbestimnite Zeitspanne gesperrt wird.
  4. 4· Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit vier Strahlunrjoquallen gearbeitet aird.
  5. 5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, mit. einem mit der Strahlungsquelle elektrisch verbundenen Impulsgenerator zum Zünden dar Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch eine Verzögerungestufe, welche den von dem Impulsgenerator an die Strahlungsquelle abgegebenen Impuls um eine vorbestimrate Zeitspanne verzögert, sowie durch einen weiteren Impulsgenerator, der die von dem ersten Impulsgenerator abgegebenen Impulse die Strahlungsquelle zünden läßt.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ijekennzeichnet, daß der weitere Impulsgenerator ein Sperrschwinger ist.
  7. 7. Schaltungeanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dis Varzögerungestufe einen bistabilen Multivibrator und einen Verstärker aufweist.
    909886/0686
    A*
    Leerseite
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